4.3.3 Шаговый привод
Простейший вариант привода подач для станков с ЧПУ в качестве двигателя использует шаговый двигатель постоянного тока. Этот тип привода применяется, когда требуется прецизионное позиционирование и точное управление скоростью, а требуемый момент и скорость не выходят за допустимые пределы.
Ш
аговые
приводы используют только в станках
небольших габаритов, невысокой точности.
Привод не имеет обратной связи по
положению рабочего органа. Такие приводы
называются разомкнутыми.
Рисунок 4.5 – Структурная схема разомкнутого привода
Сигналы от управляющей программы через электронный коммутатор поступают на полюса шагового двигателя, который превращает их в угол поворота ротора так, что скорость вращения пропорциональна частоте поступления импульсов, а суммарный угол поворота – числу импульсов. Шаговый двигатель объединяет в себе функции силового и измерительного (в пределах одного оборота) устройства.
Основные преимущества:
простота конструкции, невысокая стоимость, поэтому они применяются в самых простых, маленьких станках, которые выгодно использовать небольшим фирмам;
прецизионное позиционирование с высокой повторяемостью. Хорошие шаговые двигатели имеют погрешность не более (3-5)% от величины углового шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу;
двигатель обеспечивает полную величину момента в режиме остановки (если обмотки запитаны);
широкий диапазон регулирования, скорость пропорциональна частоте входных импульсов;
высокая надежность, связанная с отсутствием щеточно-коллекторного токосъемника, срок службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы подшипников.
Недостатки шагового двигателя:
возможна потеря контроля положения ввиду работы без обратной связи;
потребление энергии не уменьшается даже без нагрузки
затруднена работа на высоких скоростях;
невысокая удельная мощность;
необходимость плавного разгона и торможения при выходе на режим ускоренных перемещений. Применение шагового привода в позиционных системах СПУ обеспечивает погрешность позиционирования 0,01 мм. Но для точного выхода в координату необходимо двух- трехступенчатое торможение, что приводит к потерям времени 4-6 с.
Шаговый двигатель - это импульсный синхронный электродвигатель, преобразующий электрические управляющие сигналы в дискретные (шаговые) перемещения исполнительного органа станка.
При использовании шагового двигателя для повышения момента может быть использован понижающий редуктор. Однако для шаговых двигателей редуктор не всегда подходит. В отличие от коллекторных двигателей, у которых момент растет с увеличением скорости, шаговый двигатель имеет больший момент на низких скоростях. К тому же, шаговые двигатели имеют гораздо меньшую максимальную скорость по сравнению с коллекторными двигателями, что ограничивает максимальное передаточное число и, соответственно, увеличение момента с помощью редуктора. Готовые шаговые двигатели с редукторами хотя и существуют, однако являются экзотикой.
Схема шагового электродвигателя ШД5-1М представлена на рис. 4.6.
Э
лектродвигатель
состоит из двух одинаковых секций
статора 1 и общего ротора 2 Каждая секция
статора (рис. 4.6,б) имеет шесть зубчатых
полюсов 1—6, взаимодействующих с зубчатым
ротором 7, имеющим 20 зубцов. При этом
зубцы каждого последующего полюса
сдвинуты на 1/3 шага зубцов относительно
полюса, а обе секции статора сдвинуты
относительно друг друга на 1/2 шага
зубцов. Обмотки каждой пары противолежащих
полюсов включены последовательно и
образуют одну фазу. Таким образом, каждая
секция электродвигателя имеет трехфазную
обмотку, а с учетом второй секции
электродвигатель имеет шестифазную
обмотку.
Рисунок 4.6 - Шаговый электродвигатель
При подаче тока в первую фазу первой секции зубцы ротора устанавливаются точно против зубцов первого и четвертого полюсов, на которых находится обмотка первой фазы. При подаче тока во вторую фазу первой секции ротор повернется на 1/3 шага зубцов, т. е. на 6° так, что его зубцы окажутся против зубцов полюсов 2 и 5. Если подать ток по очереди в обмотки второй секции, то ротор также будет поворачиваться на 6°, но со сдвигом на 3° относительно первой секции.
Если ток подать сразу в первую фазу первой секции и в третью фазу второй секции, то ротор повернется на 1,5°, т. е. зубцы встанут между зубцами первой и второй секций. Таким образом, чередуя подачу тока то в одну фазу, то в две, получим непрерывное вращение шагового двигателя скачками на 1,5°. За 12 тактов двигатель повернется на 360/20= 18°, т. е. один оборот он сделает за 240 тактов.
Такое чередование токов обеспечивается специальным кодовым преобразователем, основными элементами которого являются счетчик импульсов со схемой обратной связи и мощный усилитель, обеспечивающий токи в обмотках. При стандартной частоте следования импульсов 800 Гц такой двигатель обеспечивает скорость подачи до 4000 мм/мин. Разработаны шаговые двигатели, работающие на большей частоте следования импульсов, которые позволяют увеличить скорость подачи до 10000 мм/мин. Эти двигатели обеспечивают небольшую мощность, поэтому используются вместе с гидроусилителем моментов.
Шаговый двигатель используется при управлении приводом подач с помощью дискретных сигналов. Вал двигателя вращается прерывисто, что соответствует повороту его на угол (шаг) при поступлении одного управляющего импульса. Частота шагов определяет скорость перемещения, а количество шагов – величину перемещения.
Используются силовые и несиловые шаговые двигатели с гидроусилителем крутящего момента. Силовой двигатель связан непосредственно с ходовым винтом или через редуктор механизма подач.
В приводах подач применяют гидравлические усилители крутящих моментов, которые позволяют малые мощности шаговых электродвигателей увеличивать до значений, достаточных для перемещения рабочих органов станка. Гидравлический усилитель соединяется с ходовым винтом, перемещающим рабочий орган станка, через зубчатую передачу или непосредственно. Различают силовые гидроусилители с линейным перемещением и гидроусилители крутящих моментов.
В
Рисунок 4.7 - Схема гидроусилителя
крутящих моментов